在自然界和人类生产生活中广泛存在雪崩、山体滑坡、粮食送运和药品加工等颗粒流动现象。颗粒物质在流动过程中会表现出类固、类液等不同相态。环剪颗粒作为典型颗粒流动形式一直以来受到研究人员的高度关注,其流动行为和尺寸分离现象的物理、力学细观机理研究亟待展开。本文针对经典环剪颗粒流即库艾特颗粒流动中的表面径向分离、尺寸分离等特性展开DEM（Discrete Element Method,离散单元法）数值仿真分析和实验研究。利用C++语言开发DEM程序并引入基于 CUD A（Compute Unified Device Architecture,NVIDIA 公司推出的通用并行计算架构）的GPU并行技术。提出了一种研究库艾特颗粒流尺寸分离现象的实验方法并开发了外筒旋转的实验装置。数值仿真与实验结果吻合良好验证了库艾特颗粒流DEM程序的有效性,以此为基础,利用DEM细观参数研究的优势进一步给出了库艾特颗粒流动特性的物理、力学作用机理。本文的主要工作有:1.开发了基于CUDA并行的DEM仿真程序对库艾特颗粒流表面流动特性进行模拟研究。考虑了外筒转速、颗粒层厚度等不同参数对表面颗粒环向、径向运动的影响。采用截面法对颗粒流内部运动趋势进行描述并解释其流动特性机理。研究结果表明,表面颗粒流角速度随径向位置的减小呈指数衰减。颗粒流表面发生径向分离现象并存在临界环,临界环半径与外筒转速成正比,在较低转速时与颗粒层厚度成反比。颗粒流在颗粒层厚度方向分别存在一个闭合环流和一个斜向上指向内筒的流动带,两者的共同作用导致了颗粒流的表面径向分离。2.利用DEM仿真程序研究了球形物体在库艾特颗粒流中的运动行为。考虑了外筒转速、球形物体尺寸及重量、颗粒层厚度等参数对库艾特颗粒流中物体上浮时间的影响。引入物体上、下表面流速、孔隙率等细观参数研究物体在库艾特颗粒流中上浮运动的力学机理。结果表明,物体上浮时间随外筒转速增加而减小,并随颗粒层厚度及物体重量增加而增大。在上升过程中,物体上表面流速始终大于下表面,其上、下区域孔隙率差值始终在零线附近。下区域孔隙率曲线表明,颗粒通过不断填充物体下方孔隙将其抬升上浮。另外,颗粒流内部原本就存在的环形对流使得进入该区域的物体有向上运动趋势也是物体最终浮至颗粒流表面的另一个重要机理。3.对不同粒度的两相库艾特颗粒流开展了 DEM仿真和实验研究。两种方法所得结果吻合良好,均出现了趋势一致的尺寸分离现象。在颗粒环剪流动下,小颗粒从大颗粒之间孔隙中大量渗流而下,并逐渐占据下方空间,大颗粒被迫上浮分离。从不同转速下的上浮率可以看出,外筒转速越快,上浮率越大,即分离程度越高。分离过程中的Lacey混合指数曲线及大、小颗粒能量曲线表明,分离区域存在分离-混合-分离过程,大颗粒在小颗粒中并不存在固定的“上浮通道”。